Por que alguns materiais ferroelétricos exibem padrões em forma de bolha, enquanto outros exibem complexos, padrões labirínticos?

Um estudo FLEET descobriu que a resposta para os padrões de mudança em filmes ferroelétricos reside na dinâmica de não equilíbrio, com defeitos topológicos que conduzem a evolução subsequente.

Materiais ferroelétricos podem ser considerados uma analogia elétrica para materiais ferromagnéticos, com sua polarização elétrica permanente semelhante aos pólos norte e sul de um ímã.

Compreender a física por trás de suas mudanças de padrão de domínio é crucial para o projeto de eletrônica ferroelétrica avançada de baixa energia, ou computação neuromórfica inspirada no cérebro.

Labiríntico vs bolhas:o que os padrões revelam

Os padrões de domínio característicos de materiais ferroelétricos de película fina são fortemente influenciados pelo tipo de materiais, e pela configuração do filme (substrato, eletrodo, espessura, estrutura, etc).

"Queríamos entender o que leva ao surgimento de um padrão em vez de outro, "explica a Dra. Qi (Peggy) Zhang (UNSW), que liderou experimentos na UNSW.

"Por exemplo:o que leva à formação de padrões de domínio em forma de mosaico, em vez de padronização em forma de labirinto. E por que levaria a uma mudança subsequente no padrão em forma de bolha. "

A equipe de pesquisa estava buscando uma estrutura comum ou um roteiro para conduzir tais arranjos de domínio.

“Existe uma assinatura topológica nestes estados? A topologia deles é evolutiva? E se sim, como assim? Esses são os tipos de respostas que buscávamos, "diz o autor principal, Dr. Yousra Nahas (Universidade de Arkansas).

"Descobrimos que a autopadronização dos domínios polares ferroelétricos pode ser compreendida examinando a dinâmica de não equilíbrio, e que uma estrutura comum é a cinética de separação de fases.

“Também realizamos a caracterização topológica, e estudou a evolução do padrão sob um externo, campo elétrico aplicado, que revelou o papel crucial dos defeitos topológicos na mediação da transformação do padrão. "

"Os resultados deste estudo constroem um roteiro (um diagrama de fases de padrões de domínio polar) para os pesquisadores usarem quando desejam 'navegar' através da pluralidade de fases moduladas em ferroelétricos de baixa dimensão, diz o co-autor principal, Dr. Sergei Prokhorenko (Universidade de Arkansas).

Este estudo é, portanto, interessante em seu próprio campo (física da matéria condensada, ferroelétricos), mas também pode ser relevante para um público interdisciplinar no que diz respeito à universalidade de conceitos e resultados.

O estudo

Os pesquisadores investigaram características de domínio e evoluções de domínio de filme fino Pb (Zr _0,4 Ti _0,6 ) O ₃ (ou "PZT ') através de modelagem extensiva e estudo experimental (microscópio de força piezoresponse).

Os pesquisadores descobriram que:

• O controle do campo elétrico da densidade do skyrmion provoca condutância histérica, que poderia ser aproveitado para computação neuromórfica de estado sólido
• A ordem topológica de engenharia em sistemas ferroicos pode melhorar as propriedades funcionais baseadas na topologia.

"Topologia e controle de padrões de domínio automontados em ferroelétricos de baixa dimensão" foi publicado em Nature Communications em novembro de 2020.